并发队列-无界非阻塞队列 ConcurrentLinkedQueue 原理探究

并发队列-无界非阻塞队列 ConcurrentLinkedQueue 原理探究

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一、 前言

常用的并发队列有阻塞队列和非阻塞队列，前者使用锁实现，后者则使用CAS非阻塞算法实现，使用非阻塞队列一般性能比较好，下面就看看常用的非阻塞ConcurrentLinkedQueue是如何使用CAS实现的。

二、 ConcurrentLinkedQueue类图结构

如图ConcurrentLinkedQueue中有两个volatile类型的Node节点分别用来存在列表的首尾节点，其中head节点存放链表第一个item为null的节点，tail则并不是总指向最后一个节点。Node节点内部则维护一个变量item用来存放节点的值，next用来存放下一个节点，从而链接为一个单向无界列表。

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public ConcurrentLinkedQueue() {     head = tail = new Node<E>(null); }

如上代码初始化时候会构建一个item为NULL的空节点作为链表的首尾节点。

三、offer操作

offer操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。

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public boolean offer(E e) {     //e为null则抛出空指针异常     checkNotNull(e);      //构造Node节点构造函数内部调用unsafe.putObject，后面统一讲     final Node<E> newNode = new Node<E>(e);         //从尾节点插入     for (Node<E> t = tail, p = t;;) {           Node<E> q = p.next;           //如果q=null说明p是尾节点则插入         if (q == null) {               //cas插入（1）             if (p.casNext(null, newNode)) {                 //cas成功说明新增节点已经被放入链表，然后设置当前尾节点（包含head，1，3，5.。。个节点为尾节点）                 if (p != t) // hop two nodes at a time                     casTail(t, newNode);  // Failure is OK.                 return true;             }             // Lost CAS race to another thread; re-read next         }         else if (p == q)//(2)             //多线程操作时候，由于poll时候会把老的head变为自引用，然后head的next变为新head，所以这里需要             //重新找新的head，因为新的head后面的节点才是激活的节点             p = (t != (t = tail)) ? t : head;         else             // 寻找尾节点(3)             p = (p != t && t != (t = tail)) ? t : q;     } }

从构造函数知道一开始有个item为null的哨兵节点，并且head和tail都是指向这个节点，然后当一个线程调用offer时候首先

如图首先查找尾节点，q==null,p就是尾节点，所以执行p.casNext通过cas设置p的next为新增节点，这时候p==t所以不重新设置尾节点为当前新节点。由于多线程可以调用offer方法，所以可能两个线程同时执行到了（1）进行cas，那么只有一个会成功（假如线程1成功了），成功后的链表为：

失败的线程会循环一次这时候指针为：

这时候会执行（3）所以p=q,然后在循环后指针位置为：

所以没有其他线程干扰的情况下会执行（1）执行cas把新增节点插入到尾部，没有干扰的情况下线程2 cas会成功，然后去更新尾节点tail,由于p!=t所以更新。这时候链表和指针为：

假如线程2cas时候线程3也在执行，那么线程3会失败，循环一次后，线程3的节点状态为：

这时候p!=t ；并且t的原始值为told，t的新值为tnew ,所以told!=tnew，所以 p=tnew=tail;

然后在循环一下后节点状态:

q==null所以执行（1）。

现在就差p==q这个分支还没有走，这个要在执行poll操作后才会出现这个情况。poll后会存在下面的状态

这个时候添加元素时候指针分布为：

所以会执行（2）分支 结果 p=head
然后循环，循环后指针分布：

所以执行(1),然后p!=t所以设置tail节点。现在分布图：

自引用的节点会被垃圾回收掉。

四、 add操作

add操作是在链表末尾添加一个元素，下面看看实现原理。
其实内部调用的还是offer

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public boolean add(E e) {     return offer(e); }

五、poll操作

poll操作是在链表头部获取并且移除一个元素，下面看看实现原理。

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public E poll() {     restartFromHead:       //死循环     for (;;) {           //死循环         for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {               //保存当前节点值             E item = p.item;               //当前节点有值则cas变为null（1）             if (item != null && p.casItem(item, null)) {                 //cas成功标志当前节点以及从链表中移除                 if (p != h) // 类似tail间隔2设置一次头节点（2）                     updateHead(h, ((q = p.next) != null) ? q : p);                 return item;             }             //当前队列为空则返回null（3）             else if ((q = p.next) == null) {                 updateHead(h, p);                 return null;             }             //自引用了，则重新找新的队列头节点（4）             else if (p == q)                 continue restartFromHead;             else//(5)                 p = q;         }     } }     final void updateHead(Node<E> h, Node<E> p) {         if (h != p && casHead(h, p))             h.lazySetNext(h);     }

当队列为空时候：

可知执行（3）这时候有两种情况，第一没有其他线程添加元素时候(3)结果为true然后因为h!=p为false所以直接返回null。第二在执行q=p.next前，其他线程已经添加了一个元素到队列，这时候（3）返回false，然后执行（5）p=q,然后循环后节点分布：

这时候执行（1）分支，进行cas把当前节点值值为null，同时只有一个线程会成功，cas成功 标示该节点从队列中移除了，然后p!=h,调用updateHead方法，参数为h,p;h!=p所以把p变为当前链表head节点，然后h节点的next指向自己。现在状态为：

cas失败 后 会再次循环，这时候分布图为：

这时候执行（3）返回null.

现在还有个分支（4）没有执行过，那么什么时候会执行那？

这时候执行（1）分支，进行cas把当前节点值值为null，同时只有一个线程A会成功，cas成功 标示该节点从队列中移除了，然后p!=h,调用updateHead方法，假如执行updateHead前另外一个线程B开始poll这时候它p指向为原来的head节点，然后当前线程A执行updateHead这时候B线程链表状态为：

所以会执行（4）重新跳到外层循环，获取当前head,现在状态为：

六、peek操作

peek操作是获取链表头部一个元素（只读取不移除），下面看看实现原理。
代码与poll类似，只是少了castItem.并且peek操作会改变head指向，offer后head指向哨兵节点，第一次peek后head会指向第一个真的节点元素。

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public E peek() {     restartFromHead:     for (;;) {         for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {             E item = p.item;             if (item != null || (q = p.next) == null) {                 updateHead(h, p);                 return item;             }             else if (p == q)                 continue restartFromHead;             else                 p = q;         }     } }

七、size操作

获取当前队列元素个数，在并发环境下不是很有用，因为使用CAS没有加锁所以从调用size函数到返回结果期间有可能增删元素，导致统计的元素个数不精确。

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public int size() {     int count = 0;     for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p))         if (p.item != null)             // 最大返回Integer.MAX_VALUE             if (++count == Integer.MAX_VALUE)                 break;     return count; }   //获取第一个队列元素（哨兵元素不算），没有则为null Node<E> first() {     restartFromHead:     for (;;) {         for (Node<E> h = head, p = h, q;;) {             boolean hasItem = (p.item != null);             if (hasItem || (q = p.next) == null) {                 updateHead(h, p);                 return hasItem ? p : null;             }             else if (p == q)                 continue restartFromHead;             else                 p = q;         }     } }   //获取当前节点的next元素，如果是自引入节点则返回真正头节点 final Node<E> succ(Node<E> p) {     Node<E> next = p.next;     return (p == next) ? head : next; }

八、remove操作

如果队列里面存在该元素则删除给元素，如果存在多个则删除第一个，并返回true，否者返回false

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public boolean remove(Object o) {       //查找元素为空，直接返回false     if (o == null) return false;     Node<E> pred = null;     for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) {         E item = p.item;           //相等则使用cas值null,同时一个线程成功，失败的线程循环查找队列中其他元素是否有匹配的。         if (item != null &&             o.equals(item) &&             p.casItem(item, null)) {               //获取next元素             Node<E> next = succ(p);               //如果有前驱节点，并且next不为空则链接前驱节点到next,             if (pred != null && next != null)                 pred.casNext(p, next);             return true;         }         pred = p;     }     return false; }

九、contains操作

判断队列里面是否含有指定对象，由于是遍历整个队列，所以类似size 不是那么精确，有可能调用该方法时候元素还在队列里面，但是遍历过程中才把该元素删除了，那么就会返回false.

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public boolean contains(Object o) {     if (o == null) return false;     for (Node<E> p = first(); p != null; p = succ(p)) {         E item = p.item;         if (item != null && o.equals(item))             return true;     }     return false; }

十、开源框架中使用

Tomcat中NioEndPoint中的每个poller里面就维护一个ConcurrentLinkedQueue<Runnable>用来作为缓冲存放任务。

10.1 Acceptor线程

accept线程作用是接受客户端发来的连接请求并放入到事件队列。

看下代码：

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protected class Acceptor extends AbstractEndpoint.Acceptor {           @Override         public void run() {               int errorDelay = 0;               // 一直循环直到接收到shutdown命令             while (running) {                   ...                   if (!running) {                     break;                 }                 state = AcceptorState.RUNNING;                   try {                     //如果达到max connections个请求则等待                     countUpOrAwaitConnection();                       SocketChannel socket = null;                     try {                         // 从TCP缓存获取一个完成三次握手的套接字，没有则阻塞                         // socket                         socket = serverSock.accept();                     } catch (IOException ioe) {                         ...                     }                     // Successful accept, reset the error delay                     errorDelay = 0;                    if (running && !paused) {                         if (!setSocketOptions(socket)) {                             countDownConnection();                             closeSocket(socket);                         }                     } else {                         countDownConnection();                         closeSocket(socket);                     }                    ....                 } catch (SocketTimeoutException sx) {                     // Ignore: Normal condition                 ....             }             state = AcceptorState.ENDED;         }     }    protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) {         // Process the connection         try {             //disable blocking, APR style, we are gonna be polling it            ...             getPoller0().register(channel);         } catch (Throwable t) {            ...             return false;         }         return true; }   public void register(final NioChannel socket) {    ...     addEvent(r); }   public void addEvent(Runnable event) {     events.offer(event);     ... }

10.2 Poll线程

poll线程作用是从事件队列里面获取事件把链接套接字加入selector,并且监听socket事件进行处理。

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public void run() {     while (true) {         try {             ...             if (close) {                ...             } else {                 hasEvents = events();             }             try {                 ...             } catch ( NullPointerException x ) {...             }               Iterator<SelectionKey> iterator =                 keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null;             // 遍历所有注册的channel对感兴趣的事件处理             while (iterator != null && iterator.hasNext()) {                 SelectionKey sk = iterator.next();                 KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)sk.attachment();                   if (attachment == null) {                     iterator.remove();                 } else {                     attachment.access();                     iterator.remove();                     processKey(sk, attachment);                 }             }//while               //process timeouts             timeout(keyCount,hasEvents);             if ( oomParachute > 0 && oomParachuteData == null ) checkParachute();         } catch (OutOfMemoryError oom) {             ...         }     }//while     synchronized (this) {         this.notifyAll();     }     stopLatch.countDown();   }

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public boolean events() {             boolean result = false;               //从队列获取任务并执行             Runnable r = null;             while ( (r = events.poll()) != null ) {                 result = true;                 try {                     r.run();                     if ( r instanceof PollerEvent ) {                         ((PollerEvent)r).reset();                         eventCache.offer((PollerEvent)r);                     }                 } catch ( Throwable x ) {                     log.error("",x);                 }             }               return result;         }   //如配置线程池则请求交给线程池处理。 public boolean processSocket(NioChannel socket, SocketStatus status, boolean dispatch) {     try {         KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)socket.getAttachment();         if (attachment == null) {             return false;         }         attachment.setCometNotify(false); //will get reset upon next reg         SocketProcessor sc = processorCache.poll();         if ( sc == null ) sc = new SocketProcessor(socket,status);         else sc.reset(socket,status);         if ( dispatch && getExecutor()!=null ) getExecutor().execute(sc);         else sc.run();     } catch (RejectedExecutionException rx) {        ...     }     return true; }

十一、有意思的问题

10.1 一个判断的执行结果分析

offer中有个 判断 t != (t = tail）假如 t=node1;tail=node2;并且node1!=node2那么这个判断是true还是false那，答案是true，这个判断是看当前t是不是和tail相等，相等则返回true否者为false，但是无论结果是啥执行后t的值都是tail。

下面从字节码来分析下为啥？

• 一个例子

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public static void main(String[] args)  {       int t = 2;     int tail = 3;       System.out.println(t != (t = tail));     }

结果为：true;

• 字节码文件：

字节码命令介绍可参考： http://blog.csdn.net/web_code/article/details/12164733

一开始栈为空

• 第0行指令作用是把值2入栈栈顶元素为2

• 第1行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量t中。

• 第2行指令作用是把值3入栈栈顶元素为3

• 第3行指令作用是将栈顶int类型值保存到局部变量tail中。

• 第4调用打印命令
• 第7行指令作用是把变量t中的值入栈

• 第8行指令作用是把变量tail中的值入栈

• 现在栈里面元素为3，2并且3位栈顶
• 第9行指令作用是当前栈顶元素入栈，所以现在栈内容3，3，2

• 第10行指令作用是把栈顶元素存放到t，现在栈内容3，2

• 第11行指令作用是判断栈顶两个元素值，相等则跳转 18。由于现在栈顶严肃为3，2不相等所以返回true.
• 第14行指令作用是把1入栈。

然后回头分析下!=是双目运算符，应该是首先把左边的操作数入栈，然后在去计算了右侧操作数。

10.2 Node的构造函数

另外对于每个节点Node在构造时候使用UnSafe.putObject设置item替代了直接对volatile的赋值，这个是为了性能考虑？为啥不直接赋值那，看看类注解怎么说：

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Node(E item) {     UNSAFE.putObject(this, itemOffset, item); }

When constructing a Node (before enqueuing it) we avoid paying for a volatile write to item by using Unsafe.putObject instead of a normal write. This allows the cost of enqueue to be”one-and-a-half”
CASes.

也就是说当构造Node节点时候（这时候节点还没有放入队列链表）为了避免正常的写volatile变量的开销 使用了Unsafe.putObject代替。这使元素进队列仅仅花费1.5个cas操作的耗时。这个是说使用Unsafe.putObject比直接给volatile变量赋值更高效？目前还没有查到相关资料。

十二、总结

ConcurrentLinkedQueue使用CAS非阻塞算法实现使用CAS解决了当前节点与next节点之间的安全链接和对当前节点值的赋值。由于使用CAS没有使用锁，所以获取size的时候有可能进行offer，poll或者remove操作，导致获取的元素个数不精确，所以在并发情况下size函数不是很有用。另外第一次peek或者first时候会把head指向第一个真正的队列元素。

下面总结下如何实现线程安全的，可知入队出队函数都是操作volatile变量：head，tail。所以要保证队列线程安全只需要保证对这两个Node操作的可见性和原子性，由于volatile本身保证可见性，所以只需要看下多线程下如果保证对着两个变量操作的原子性（CAS）。

对于offer操作是在tail后面添加元素，也就是调用tail.casNext方法，而这个方法是使用的CAS操作，只有一个线程会成功，然后失败的线程会循环一下，重新获取tail，然后执行casNext方法。对于poll也是这样的。